JP2561426B2 - 電力分配合成器 - Google Patents

電力分配合成器

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JP2561426B2
JP2561426B2 JP5181474A JP18147493A JP2561426B2 JP 2561426 B2 JP2561426 B2 JP 2561426B2 JP 5181474 A JP5181474 A JP 5181474A JP 18147493 A JP18147493 A JP 18147493A JP 2561426 B2 JP2561426 B2 JP 2561426B2
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隆 井上
▲恵▼一 大畑
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MIRI UEIBU KK
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】無線LAN、携帯電話器などの通
信分野での応用が期待されているミリ波集回路等におけ
る電力分配合成器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のミリ波帯回路には導波管がよく用
いられていたが、半導体素子の高周波対応化が進むにつ
れて、以前では導波管で形成されていたが受動回路素子
も、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路のよう
な、誘電体基板上に形成される薄膜回路で形成されるよ
うになり、回路全体のモノリック集積回路(MMIC)
化が進んでいる。それに伴い、いわゆるウィルキンソン
型電力分配合成器もマイクロトリップ線路やコプレーナ
線路を用いて集積回路構成にしたい、という要求が生じ
てきた。ウィルキンソン 型電力分配合成器は、1つの
高周波入力を幾つか出力に分配し、逆方向に用いるとき
いくつかの高周波入力を1つの出力に合成する機能をも
つ回路である。電力分配器として特開平2−22450
1号公報や、1/4波長となる長さの伝送路を用い、出
力電力の端子管アンバランスを改善したウィルキンソン
型電力分配器として、特公昭63−15762号公報
がある。
【0003】以下、では簡単のために、高周波入力を等
分配する場合について考察することにし、ウィルキンソ
ン による原型をマイクロストリップ線路で構成した例
を図4に示す。従来の4分の1波長(λ/4)変成器を
用いたウィルキンソン 型電力分配合成器の構成を示す
図である。
【0004】この回路を分配器として使うとき、ポート
1が入力端子、ポート2及び3が出力端子となる。ポー
ト1側(特性インピーダンスZo)から分岐点Tよりポ
ート2及び3側をみたときのインピーダンスがポート1
側の特性インピーダンスZoに接合するように4分の1
波長変成器の特性インピーダンスは決定される。一方の
出力端子から入った信号が他方の出力端子に至るには
つのルートがあり、第1の吸収抵抗Rを通るルート、第
2はλ/4変成器を通るルートであるが、第1のルート
と第2のルートの距離の差は2分の1波長で、信号の位
相は180°ずれる。いま、一方の出力端子からみた第
1のルートの特性インピーダンスが、同端子からみた第
2のルートの特性インピーダンスに等しくなるように吸
収抵抗Rの値を選ぶ。すると、信号を一方の出力端子か
ら入力しても、他方の出力端子では信号のキャンセルが
起こり、出力信号が観測されなくなるが、このことを、
出力端子間の“アイソレーション”をとる、という。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ウィルキンソン型電力
分配合成器をマイクロストリップ線路で形成してミリ波
帯の周波数領域で動作させようとするときには、従来の
設計方法にもとづいた回路では問題があった。1つに
は、入(出)力アイソレーションのための吸収抵抗の距
離を考慮していないことによりアイソレーションがとれ
なくなること、また、Tジャンクション(T−junc
tion)やクロスジャンクションなどの線路の分岐点
での寄生のリアクタンス成分を補償(compensa
te)する設計になっていないことにより入(出)力ポ
ートでのインピーダンス整合が十分にとれないこと、な
どである。
【0006】はじめの吸収抵抗の距離の問題は、吸収抵
抗の距離を考慮して電力分配合成器の各線路の距離を調
節すれば解決される(ウィルキンソン 型電力分配合成
器の設計方法は、例えば、小西著の”マイクロ波回路の
基礎とその応用”(総合電子出版、1990年)などに
詳しい。)例えば、動作周波数は60GHzのミリ波帯
で、マイクロストリップ線路の厚さは2μm、線路とグ
ラウンドとの間のインシュレータの厚さは40μm、比
誘電率は12.6の条件のもとでこの場合の電力分配合
成器の特性をシミュレーションとすると、図5に示す特
性図のようになる。この図5では吸収抵抗の距離を考慮
して各線路の距離を調節している。ここでは電力分配器
として使うことを想定して入出力ポートを定義してい
る。図5(a)は電力定在波比(VSWR)の特性を示
す。図5(c)は、入(出)力ポート間のアイソレーシ
ョン(Sマトリックスの−S2 3 に相当)であり、60
GHzで35dB程度の十分な値をもっている。だが、
図5(b)には、リターン・ロス(S1 1 ,S2 2 )を
示したが、分岐点に起因するリアクタンス成分のため、
入出力インピーダンス整合不十分なことがわかる。
【0007】一方、寄生リアクタンスの成分の問題は、
分岐点に隣接する線路の線路幅と線路長を図6の線路1
(図の符号7)、線路2(図の符号8)に示すごとくに
多段階に変えることにより解決されることが報告されて
おり、この方法によりインピーダンス整合動作の広帯域
化もあわせて実現されることが知られている(Dydy
k,M.,“Master the T−juncti
on and Sharpen Your MIC D
esigns,”Microwaves,Vol.1
6,May 1977,pp.184−186.;デュ
ディック著:“マウター・ザ・T−ジャンクション・ア
ンド・シャープン・ユア・MICデザインズ”、マイク
ロウェイブス、第16巻、1977年5月)。図6はλ
/4変成器を用いたウィルキンソン型電力分配合成型の
基本構成に、分岐点の寄生リアクタンス成分を補償する
ための線路1、2を付加したものである。設計にあたっ
て線路1(7)の長さI1 、幅W1 、線路2(8)の長
さI2 、幅W2 、及び吸収抵抗Rの値、長さIR を最適
化する。
【0008】しかし図6に示す構成を用いると、アイソ
レーションの必要から、吸収抵抗の部分の距離の調節の
ため、吸収抵抗の部分にこの抵抗の他に距離調節用の線
路をもうける必要が出てきて回路のループ線路部が大き
くなる。このように位相を180°ずらすためのループ
線路部が長くなるとアイソレーションは著しく劣化し、
犠牲になってしまう。その結果、既存の方法では、入出
力インピーダンスの整合と、アイソレーションの両方の
特性を同時には満足させることができなかった。
【0009】
【課題を解決するための手段】ウィルキンソン型電力分
配合成器において、4分の1波長インピーダンス変成器
のところを、8分の1波長変成器2コ(分配器のとき前
段をA、後段をBとする)の直列回路とする。入(出)
力ポート間のアイソレーションを得るための純抵抗R
を、変成器AまたはBのあとに接続する(吸収抵抗を変
成器Aの後に接続した場合は、請求項(1)に対応、変
成器Bの後に接続した場合は、請求項(2)に対
応。)。吸収抵抗を変成器Aのあとに接続する場合に
は、電力分配合成を行う伝達線路分岐点Tと変成器Aの
間の伝達線路の長さを8分の1波長程度の長さに選び、
入(出)力ポート間のアイソレーションをとる。
【0010】
【作用】本発明では、8分の1波長変成器2段を用いて
いるので、分岐点の寄生リアクタンスはちょうどうまく
補償される。また、アイソレーションをとるためのルー
プ路部は、(λ/4+吸収抵抗部の長さ)×2、で決定
されるので、冗長になることがない。その結果、請求項
(1)の方法は、各ポートでのきわだって高い入(出)
力ポート間での十分なアイソレーション(35dB程
度)を与える。また、請求項(2)の方法は、4分の1
波長変成器を用いたウィルキンソン型電力分配合成器本
来の高い入(出)力アイソレーション(40dB)を保
ったまま、各ポートの入出力インピーダンス整合を改善
する。
【0011】
【実施例】(1)実施例1(請求項(1)に対応) 請求項(1)の発明では、図4に示された従来のウィル
キンソン 電力分配合成器(原型)において、4分の1
波長変成器のところを、8分の1波長変成器2コ(分配
器のとき前段をA、後段をBとする)の直列回路とし、
純抵抗Rを変成器Aのあとに接続し、分岐点Tと変成器
Aの間の伝送線路の長さを8分の1波長程度に選ぶ。
【0012】図1は、本発明で計算した、マイクロスト
リップ線路を用いた電力分配・合成器の回路図であり、
最適化された回路パラメータを図に示した。最適化した
のは、線路A、Bの線幅、吸収抵抗Rの値、及び分岐点
Tから線路Aまでの距離である。図2はこの電力分配器
の特性図であり、ここでは分配器として用いた場合を考
え入出力ポートを定義した。図2(a)は電力定在波比
を示す図である。 図2(b)は、リターン・ロスのシ
ミュレーション値であり、60GHzにおいて入出力と
も−40dB以下であり、十分な入出力インピーダンス
整合がとれていることがわる。図2(c)は、入(出)
力ポート間のアイソレーションの特性図であり、60G
Hzで35dB程度の十分な値が得られる。
【0013】(2)実施例2(請求項(2)に対応) 請求項(2)の発明では、図4に示された従来のウィル
キンソン型電力分配合成器において、4分の1波長イン
ピーダンス変成器のところを、8分の1波長変成器2コ
(分配器のとき前段をA、後段をBとする)の直列回路
とし、純抵抗Rを変成器Bのあとに接続する。その回路
図を図3に示した。この設計の場合最適化するのは、線
路A、Bの幅、及び吸収抵抗Rの値である。本発明は、
4分の1波長変成器を用いたウィルキンソン型電力分配
合成器本来の高い入(出)力アイソレーション(40d
B)を保ったまま、各ポートの入出力インピーダンス整
合を改善できる。
【0014】
【発明の効果】本発明は、ミリ波回路の集積回路化に
って必要な基本的回路要素を提供するものであり、無線
LAN、携帯電話器などのための通信用デバイスの発展
に貢献することである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明(請求項1)の電力分配合成器を説明す
るための図。
【図2】本発明の電力分配合成器の特性を示す図。ここ
では電力分配器としても使うことを想定して入出力ポー
トを定義。(a)は電圧定在波比(VSWR)を示す
図、(b)はリターン・ロス(S1 1、S2 2 )を示す
図、(c)はアイソレーション(−S2 3 )を示す図で
ある。
【図3】本発明(請求項2)の電力分配合成器を説明す
るための図。
【図4】従来の4分の1波長(λ/4)変成器を用いた
ウィルキンソン型電力分配合成器の原型を示す図。
【図5】従来のウィルキンソン 型電力分配合成器(原
型)の特性を示す図。ここでは電力分配器として使うこ
とを想定して、入出力ポートを定義。(a)は電圧定在
波比(VSWR)を示す図、(b)はリターン・ロス
(S1 1、S2 2 )を示す図、(c)はアイソレーショ
ン(−S2 3 )を示す図である。
【図6】(λ/4)変成器を用いたウィルキンソン型電
力分配合成器の原型に対し、分岐点の寄生リアクタンス
成分を補償するための線路1、2を付加した図。
【符号の説明】
1 吸収抵抗R 2 λ/8変成器A 3 λ/8変成器B 4 アイソレーション用線路 5 ループ部 6 λ/4変成器 7 線路1 8 線路2

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウィルキンソン型電力分配合成回路にお
    いて、電力分配・合成を行う分岐点から8分の1波長程
    度の長さの伝送線路を接続した後に、8分の1波長変成
    器A及び8分の1波長変成器Bを設け、かつ、分配また
    は合成されるべき2つの分岐のそれぞれの変成器AとB
    との接続点の間を吸収抵抗で接続したことを特徴とする
    電力分配合成回路。
  2. 【請求項2】 ウィルキンソン型電力分配合成回路にお
    いて、電力分配・合成を行う分岐点から8分の1波長変
    成器A及び8分の1波長変成器Bを設け、かつ、分配ま
    たは合成されるべき2つの分岐のそれぞれの変成器Bの
    後端の間を吸収抵抗で接続したことを特徴とする電力分
    配合成回路。
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